Digitální mikrofony. Digitální mikrofony: od specifikace až po hotový výrobek. Digitální mikrofon s rychlou odezvou a nastavením citlivosti

Blue Microphones Raspberry Studio je USB mikrofon, který poskytne studiové nahrávání zvuku, ať jste kdekoli. Mikrofon má konektor Lightning, který umožňuje jeho použití se zařízeními iOS.

Design

Blue Microphones Raspberry Studio má stylový design a uživatelsky příjemný design, který zaručuje snadné použití. Mikrofon má vestavěný stojánek, který umožňuje nejen jeho umístění na pracovní plochu, ale také eliminaci rušení vibrací při nahrávání. Stojan je snadno odnímatelný a držák má standardní rozměry pro připevnění na studiový stojan nebo fotoaparát.

Zvuk bez rušení

Blue Microphones Raspberry Studio umožňuje nahrávat zvuk ve studiové kvalitě kdekoli, uvnitř nebo venku. Zařízení je dodáváno se sadou programů, které práci s mikrofonem usnadní a zefektivní. K provozu není nutná žádná instalace ovladače a není potřeba žádné další napájení.

Zvláštnosti:

• Vysoká kvalita záznamu
• Promyšlený design
• USB a Lightning konektory
• Nevyžaduje další výživa

DIGITÁLNÍ MIKROFON S
RYCHLÉ AGC A
NASTAVENÍ CITLIVOSTI

MIKROFON PRO HLAS

STELBERRY M-50 je zcela nové řešení pro audio nahrávací systémy a nejlepší hlasový mikrofon ve své třídě. Vysokorychlostní digitální zpracování signálu účinně izoluje rozsah řeči a výrazně snižuje zbytečné zvuky v nízkých a vysokých frekvencích.
STELBERRY M-50 je vybaven duálním digitálním systémem Automatic Gain Control s rychlostí odezvy menší než jedna tisícina sekundy.
Externí regulátor umožňuje nastavit citlivost digitálního mikrofonu pro jakékoli provozní podmínky.

IP MIKROFON

Digitální mikrofon STELBERRY M-50 je ideální pro připojení k linkovému vstupu IP kamer, ideálně přenáší akustický obraz prostředí.
Tato aplikace z něj vlastně dělá plnohodnotný IP mikrofon.
Nepochybnou výhodou tohoto řešení je také možnost instalovat digitální mikrofon kdekoli, bez ohledu na umístění IP kamery.

Srovnávací tabulka modelů všesměrových mikrofonů řady STELBERRY M

Pro spolehlivý provoz digitálního mikrofonu STELBERRY M-50 je potřeba kvalitní napájecí zdroj s nízkou úrovní zvlnění. Nejlepším řešením je použití průchozího PoE splitteru STELBERRY MX-225, který má systém filtrování výstupního napětí. STELBERRY MX-225 má také vestavěnou ochranu proti zkratu na výstupu nebo překročení maximálního povoleného proudu.

Miniaturní průchozí PoE rozbočovač STELBERRY MX-225 se instaluje do výřezu kabelu, který spojuje IP kameru a přepínač a lze jej přilepit na jakýkoli povrch nebo schovat do krabice, kterou je kabel protažen. Pro připojení napájení k digitálnímu mikrofonu STELBERRY M-50 je PoE splitter vybaven samosvornými konektory, které zajišťují spolehlivý kontakt.

RYCHLÝ DIGITÁL
PROCESOR SIGNÁLU

Miniaturní digitální signálový procesor (DSP) digitalizuje audio signál z audio kapsle při vzorkovací frekvenci 44 100 Hz a 16bitovém vzorkování.
Charakteristickým rysem procesoru je přítomnost 2rychlostního AGC, poskytujícího bleskurychlé automatické řízení zisku, a to jak na vstupu, tak na výstupu zařízení.
6 digitálních filtrů procesoru zpracovává signál tak, že na lineárním výstupu zůstává pouze rozsah řeči.
Přesný vestavěný předzesilovač zaručuje vysoký odstup signálu od šumu.

ŘÍDICÍ PROCESOR
DIGITÁLNÍ MIKROFON

Centrální řídicí procesor digitálního mikrofonu STELBERRY M-50 zajišťuje nastavení zesílení mikrofonu a ovládání parametrů zpracování signálu.
Procesor zaručuje rychlý návrat mikrofonu do provozního režimu po připojení napájení díky vysokorychlostní výměnné lince se signálovým procesorem.

OCHRANA PROTI VĚTRU PRO DIGITÁLNÍ MIKROFON
STELBERRY M-50

Pro ideální přenos zvuku je digitální mikrofon vybaven větrným filtrem.
Filtr vyrobený z akustického materiálu eliminací složky větru omezuje nežádoucí zvuky, které vznikají při střetu proudění větru s citlivou membránou, výsledkem je křišťálově čistý zvuk.
Přítomnost ochrany proti větru nám umožnila vytvořit účinný mikrofon pro hlas.

OPTIMALIZACE MIKROFONU POD ŘEČI
ROZSAH

Šířka pásma digitálního mikrofonu STELBERRY M-50 je naladěna na frekvenční rozsah lidské řeči a leží v rozsahu 270...4000 Hz.
Tato šířka pásma zajišťuje vynikající srozumitelnost řeči bez ohledu na vnější zdroje hluku.
Zpracování signálu je realizováno šesti digitálními vysokorychlostními filtry, což zaručuje vysokou strmost amplitudově-frekvenční odezvy v oblasti nízkých a vysokých frekvencí.

DVOJITÝ SYSTÉM AGC

Mikrofon je vybaven dvěma digitálními vysokorychlostními Automatic Gain Controls (AGC).
První AGC řídí zesílení na mikrofonním vstupu ihned po digitalizaci signálu z kapsle a rychlost odezvy na změny hladiny zvuku je menší než 1/1000 sekundy.
To vám umožní reagovat na jakékoli, i ty nejmenší změny ve zvukovém prostředí.
Druhý AGC zpracovává signál na výstupu mikrofonu a spolehlivě udržuje stabilní úroveň výstupního signálu. Rychlost odezvy výstupního systému AGC je také menší než 1/1000 sekundy.

POROVNÁNÍ DIGITÁLNÍHO AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ ZISKU (AGC) S ANALOGOVÝM AGC

V posledních letech se na trhu elektronických součástek objevily digitální MEMS mikrofony. Mezi jejich přednosti patří: vysoká citlivost, linearita frekvenční charakteristiky v pracovním frekvenčním pásmu, opakovatelnost parametrů a malé celkové rozměry. Použití digitálního MEMS mikrofonu také odstraňuje problémy spojené se šumem analogového obvodu a umožňuje připojit mikrofon přímo k procesoru. Tyto výhody nás zaujaly a pokusili jsme se je uvést do praxe.

V době zahájení prací měla společnost Second Laboratory LLC několik prototypů mikrofonů ADMP421 vyrobených společností Analog Devices. Pak jsme měli digitální MEMS mikrofony SPM0405HD4H-WB od Knowles Electronics. Výsledky práce s uvedenými mikrofony se staly podkladem pro napsání tohoto článku.

Digitální mikrofon lze připojit ke zvukovému kodeku, který má vhodné rozhraní [například 8–10]. Nás ale zaujala možnost přímého připojení digitálního mikrofonu k mikrokontroléru. Toto řešení umožnilo upustit od použití zvukového kodeku, což snížilo celkové rozměry a dále snížilo cenu produktu. Pro předběžné posouzení očekávaných hodnot parametrů (požadovaný výkon mikrokontroléru, spotřeba energie, citlivost, dynamický rozsah, SOI, provozní frekvenční pásmo) byla provedena malá vývojová práce. Na základě jeho výsledků bylo učiněno konečné rozhodnutí o návrhu obvodu, softwaru a použité základně prvků.

Připojení digitálních mikrofonů k mikrokontrolérům

Rozhraní mezi mikrokontrolérem a digitálním mikrofonem je jednoduché a informace o jeho implementaci jsou dostatečně zveřejněny na stránkách výrobců a podrobně popsány jinými autory. Digitální mikrofony mají obvykle pět pinů, jejichž stručný popis je uveden v tabulce. Elektrické a časovací parametry mikrofonních výstupů jsou uvedeny v jejich specifikacích.

Stůl. Popis pinů digitálního mikrofonu

Pro vyhodnocení požadovaného výkonu mikrokontroléru byla použita vývojová deska ADSP-BF538 EZ KIT Lite od Analog Devices. Mikrofony lze k této desce připojit pomocí rozhraní SPI nebo SPORT. První z těchto rozhraní je běžnější, a proto jsme toto rozhraní použili v režimu Slave. Pro generování hodinového signálu CLK byl použit hardwarový časovač dostupný v mikrokontroléru. Pro získání výstupních vzorků při standardní vzorkovací frekvenci 16 kHz při decimačním faktoru 128 musí být požadovaná hodinová frekvence CLK 2,048 MHz. Jako zdroj hodin pro procesor na vývojové desce byl použit generátor s frekvencí 12,288 MHz, který po dělení 6 poskytl potřebný taktovací kmitočet pro digitální mikrofon. Pro minimalizaci zátěže procesoru při příjmu počáteční informace z mikrofonů byl použit přenosový mechanismus DMA.

Během procesu modelování bylo vypočteno a experimentálně ověřeno, že pro zpracování dat z mikrofonu musí mít procesor výkon cca 8 MIPS. Posouzení požadovaného výkonu nám umožnilo dojít k závěru, že bylo možné použít jednodušší mikrokontrolér s menší spotřebou energie. Ze tří alternativních možností (ARM, PIC, MSP430) byl vybrán mikrokontrolér MSP430F5418 od Texas Instruments, který má minimální spotřebu energie (165 μA/MIPS). Později jsme pro kontrolu spotřeby energie a testování softwaru použili experimentální desku MSP-EXP430F5438 od stejné společnosti.

Na Obr. Obrázek 1 ukazuje zjednodušená schémata pro připojení digitálních mikrofonů k ladicím deskám používaným při prototypování, což umožňuje plně simulovat zařízení pro čtení, přehrávání nebo ukládání dat z mikrofonů.

Rýže. 1. Schéma připojení digitálního mikrofonu k desce: a) ADSP-BF538 EZ KIT Lite; b) MSP-EXP430F5438

Proces převodu vstupního zvukového signálu do mikrofonu

Rýže. 2. Zjednodušený model MEMS mikrofonu

Každý digitální MEMS mikrofon lze zjednodušit do modelu znázorněného na Obr. 2. Vstupní zvukové vibrace jsou přeměněny přes membránu MEMS na slabý elektrický signál, který je následně přiveden na vstup zesilovače A. Předzesílený signál pak prochází analogovým dolním filtrem, který je nezbytný pro ochranu proti aliasingu . Posledním prvkem zpracování signálu v mikrofonu je modulátor Σ-Δ 4. řádu, který převádí vstupní analogový signál na jednobitový digitální tok. Frekvence datových bitů z výstupu modulátoru Σ-Δ je rovna frekvenci vstupního hodinového signálu CLK a leží zpravidla v rozsahu 1 až 4 MHz.

Měřicí digitální mikrofony

K měření bylo použito následující zařízení: zvukoměr CENTER-325, generátor nízkofrekvenčního signálu G3-118, měřič nelineárního zkreslení S6-11, sluchátkový emitor Dialog M-881HV a PC.

Rýže. 3. Frekvenční odezva mikrofonu ADMP421

V časové oblasti je výstupem Σ-Δ modulátoru neuspořádaná sbírka jedniček a nul. Pokud však každé vysoké logické úrovni mikrofonního výstupu přiřadíme hodnotu 1,0 a každé nízké logické úrovni hodnotu –1,0 a poté provedeme Fourierovu transformaci, získáme spektrogram výstupních dat z mikrofonu. . Na Obr. Obrázky 3 a 4 ukazují odezvy mikrofonů ADMP421 a SPM0405HD4H-WB na vstupní sinusový zvukový signál s frekvencí 1 kHz a úrovní 94 dB SPL. Měření byla provedena pro tři hodnoty frekvence signálu CLK - 512, 1024 a 2048 kHz. (Pro zkrácení délky publikovaného článku nejsou uvedeny materiály pro frekvenci 1024 kHz.) Spektrogramy byly konstruovány s použitím vzorku délky 128–1024 vzorků.

Rýže. 4. Frekvenční odezva mikrofonu SPM0405HD4H-WB

Soudě podle spektrogramů je kvantizační šum posunut mimo frekvenční rozsah zvuku a neovlivňuje vstupní zvukový signál. V tomto případě se kvantizační šum posouvá dále do vysokofrekvenční oblasti, čím vyšší je vzorkovací frekvence mikrofonů. Přibližně lze určit mezní frekvenci, od které se hladina hluku začíná zvyšovat F clk/100. Ve specifikacích pro mikrofony je sice pracovní frekvence normalizována přibližně na 1 až 3 MHz, ale jak ukazují spektrogramy, mikrofony normálně pracují při nižších hodinových frekvencích. To může být velmi užitečné, když je potřeba snížit počet výpočtů na mikrokontroléru, i když to samozřejmě také zúží pracovní šířku pásma zvuku.

Můžete také pozorovat, že oba mikrofony obsahují ve výstupním signálu konstantní složku (tento efekt byl u posledních úprav mikrofonů eliminován). Úroveň konstantní složky je navíc úrovní srovnatelná s měřeným signálem. Navíc hodnota konstantní složky minimálně závisí na napájecím napětí. Tato vlastnost vyžadovala implementaci rekurzivního algoritmu v mikrokontroléru, který eliminuje konstantní offset.

Pokud porovnáme mikrofony z hlediska úrovně hluku, je snadné vidět, že mikrofon ADMP421 má lepší poměr signálu k šumu ve srovnání s mikrofonem SPM0405HD4H-WB - o cca 5-6 dB, stejně jako nižší úroveň kvantizačního šumu.

Pokud porovnáme úrovně nelineárního zkreslení, uvidíme, že spektrogramy obou mikrofonů obsahují pouze druhé harmonické, přestože amplituda druhé harmonické u mikrofonu Knowles Electronics je výrazně nižší než u mikrofonu Analog Devices. Tato skutečnost je zvláště zajímavá, protože obě společnosti standardizují pouze maximální SOI a pouze pro určitou hladinu akustického tlaku. Ve skutečnosti tato data nestačí. Například není možné porovnávat skutečné hodnoty THD různých mikrofonů. Kromě toho je v současné době běžnou praxí normalizovat SOI na lineární vstup záznamových zařízení bez zohlednění zkreslení způsobených mikrofony.

Za účelem posouzení povahy závislosti SOI na hladině akustického tlaku byl proto proveden experiment, který zahrnoval následující kroky:

1. Vystavení mikrofonního vstupu sinusovému audio signálu o frekvenci 1 kHz a záznam jednobitových dat z mikrofonního výstupu do flash paměti (akustický tlak vstupního signálu se pohybuje od 87,5 do 115 dB SPL v krocích po 2,5 dB SPL) .
2. Matematické zpracování dat jednobitového mikrofonu pomocí digitálního dolního filtru pro získání deterministického digitálního signálu a odstranění kvantizačního šumu.
3. Reprodukce zpracovaných digitálních dat na PC a měření signálu SOI z výstupu zvukové karty PC pomocí měřiče nelineárního zkreslení S6-11 (nelineární zkreslení vnášené samotnou zvukovou kartou nepřesahují 0,1 %).
4. Registrace odečtů ze zařízení S6-11 pro každou hodnotu akustického tlaku vstupního audio signálu.

Rýže. 5. Závislost SOI mikrofonů na hladině akustického tlaku

Výsledky experimentu jsou uvedeny na Obr. 5. Z výše uvedeného grafu vyplývá, že při akustickém tlaku nižším než 97 dB nepřekročí SPL THD mikrofonů ADMP421 a SPM0405HD4H-WB 1 %, respektive 0,3 %. Při vyšších akustických tlacích je THD mikrofonu ADMP421 výrazně vyšší než u mikrofonu SPM0405HD4H-WB a při tlacích nad 110 dB SPL oba mikrofony zaznamenají prudký nárůst úrovně nelineárního zkreslení. Obecně můžeme konstatovat, že mikrofon Knowles Electronics je vhodný pro použití v širším rozsahu akustického tlaku. Je třeba také poznamenat, že hodnoty SOI mikrofonů uvedené v dokumentaci jsou normalizovány při maximálním akustickém tlaku. Skutečné hodnoty THD při nižších hladinách akustického tlaku jsou mnohem nižší a pro vysoce kvalitní záznam zvuku lze použít mikrofony.

Mikrofon ADMP421 má však ještě jednu výhodu. Tento model mikrofonů je prakticky necitlivý na šum na napájecí sběrnici, i když ta dosahuje hodnot 200–300 mV. Na Obr. Obrázek 6 ukazuje případ, kdy je v napájecí sběrnici mikrofonu přítomen uměle zavedený impulsní šum. Tento případ je možný, pokud audio zařízení pracuje v režimu pulzní spotřeby (například cyklické nahrávání dat z mikrofonu do flash paměti při napájení ze zdroje s nízkou spotřebou).

Rýže. 6. Pulzní šum v napájecím obvodu mikrofonu

Rýže. 7.Časový diagram signálu z mikrofonů při vystavení pulznímu šumu v napájecím obvodu

Na Obr. Obrázek 7 ukazuje výstupní signál z mikrofonů, procházející digitální dolní propustí s amplitudově-frekvenční odezvou znázorněnou na Obr. 9. Během procesu nahrávání nebyl použit žádný referenční zvukový signál k detekci rušení napájení. Aby bylo možné odhadnout amplitudu rušení z výstupu mikrofonu, v horní části Obr. Obrázek 7 ukazuje sinusový zvukový signál 80 dB SPL zaznamenaný v nepřítomnosti rušení napájení.

Rýže. 8. Zjednodušené zapojení převodníku číslicového signálu Σ-Δ modulátor

Rýže. 9. Frekvenční odezva softwarového decimátoru implementovaného na procesorech ADSP-BF538F a MSP430F5438

Abychom eliminovali vliv šumu na napájecí obvody, museli jsme použít anti-aliasingový RC filtr.

Zpracování dat z výstupu digitálního mikrofonu

Aby se izoloval signál zvukového frekvenčního pásma, musí být data z mikrofonu filtrována a převzorkována při snížené frekvenci (obvykle 50 až 128násobek vzorkovací frekvence modulátoru Σ-Δ). Digitální nízkopropustný filtr odfiltruje vnější hluk a vlastní hluk mikrofonu mimo provozní pásmo ( F >F clk /2M) pro ochranu před aliasingem a také umožňuje snížit rychlost opakování dat. Na Obr. Obrázek 8 ukazuje jednu z možných možností zpracování jednobitového datového toku z mikrofonu, implementovanou softwarově na DSP nebo hardwarově ve zvukových kodecích.

Na Obr. 8, kompresní obvod vzorkovací frekvence (kompresor) snižuje vzorkovací frekvenci vzhledem k tomu, že z každého M filtrované vzorky signálu w(mM) je vyřazen M– 1 vzorek. Vstup a výstup převodníku znázorněný na Obr. 8 souvisí následujícím výrazem:

Při softwarové implementaci frekvenčních měničů lze jako digitální dolní propust použít filtry FIR i IIR. Vývojáři by měli být velmi opatrní při výběru typu filtru, jeho délky a bitové hloubky, protože na tom přímo závisí výkon celého systému jako celku. Správně vypočítaný a implementovaný decimátor (frekvenční měnič) v některých případech výrazně sníží náklady na výrobky a zvýší jejich technické vlastnosti. Jako reference uvádíme, že během vývoje hlasových záznamníků Soroka-1 a Soroka-2 byly úspěšně implementovány softwarové decimátory, které snižují frekvenci 64krát (z 1,024 MHz na 16 kHz), a to jak na vysoce výkonném ADSP- Procesor BF538F a na mikrokontroléru MSP430F5438 s pracovní taktovací frekvencí 12,288 MHz. Amplitudo-frekvenční odezva digitální dolní propusti obsažené v implementovaném decimátoru je na Obr. 9. Úplné informace o praktických otázkách digitální filtrace naleznete v kapitolách 6–9 této knihy.

Jako druhou možnost lze použít audio kodeky k tomu uzpůsobené pro převod dat z výstupu digitálního mikrofonu, což výrazně zkrátí dobu vývoje produktu. Například Analog Devices navrhuje použití kodeků ADAU1361 a ADAU1761, které jsou stejně vhodné pro mikrofony ADMP421 a SPM0405HD4H.

Měření kmitočtové charakteristiky pro pracovní kmitočtové pásmo s požadovanou přesností se ukázalo jako poměrně obtížný úkol, protože v laboratoři chyběl akustický zářič s lineární amplitudovou odezvou na akustický tlak. Odhady výsledné frekvenční charakteristiky ukazují její linearitu v pracovním frekvenčním pásmu s chybou cca ±4 dB. Proto jsme při posuzování linearity frekvenční charakteristiky považovali za správné vycházet z deklarovaných charakteristik výrobců a vypočtených charakteristik nízkofrekvenčních filtrů se zvlněním v propustném pásmu menším než 1 dB.

MEMS mikrofony otevírají nové možnosti pro vývojáře audio zařízení. Proces vytváření digitálních audio zařízení se stává jednoduchým z hlediska hardwarové implementace a složitým z hlediska psaní programů pro použité mikrokontroléry. Doufáme, že informace o metodách a parametrech uvedené v tomto článku budou zajímavé pro mnoho inženýrů.

Digitální mikrofon Stelberry M-50 s nastavitelným ziskem, postavený na specializovaném procesoru. Proces provozu mikrofonu sestává z analogově-digitální konverze signálu mikrofonní kapsle, následné digitální filtrace přijímaného signálu a zpětné digitálně-analogové konverze. Citlivý mikrofon M-50 má digitální filtry vyladěné na rozsah lidské řeči. Zvukové frekvence mimo frekvenční rozsah 270...4000 Hz jsou mikrofonem výrazně utlumeny. Velmi rychlé AGC (automatické řízení zisku) digitálního mikrofonu umožňuje jeho pohodlné používání v místnosti s náhlými změnami hlasitosti zvuku nebo lidské řeči.

Digitální mikrofon M-50 se dobře hodí jako mikrofon pro záznam hlasu pro projekty, které se zaměřují na nahrávání konverzací. Ideální jako externí vysoce citlivý mikrofon pro videokamery a audiorekordéry, které jsou citlivé na úroveň vstupního signálu a nemají vlastní prostředky pro filtrování zvuku.

Citlivý mikrofon Stelberry M-50 se používá jako externí mikrofon pro různé video monitorovací kamery, včetně IP kamer, pro audio monitorování prostor, jako vysoce citlivý mikrofon pro záznam hlasu v systémech nahrávání hovorů a systémech rozpoznávání řeči.

Umístění digitálního mikrofonu s AGC Stelberry M-50 v interiéru

Při umístění mikrofonu M-50 do rohu místnosti a nastavení maximální citlivosti mikrofonu bude pohodlná poslechová zóna odpovídat čtvrtkruhové ploše 50 m². S větší vzdáleností od mikrofonu bude úroveň jeho výstupního signálu postupně slábnout až k hranici akustické slyšitelnosti 20 metrů.

Připojení digitálního mikrofonu s AGC STELBERRY M-50 k IP kameře

Digitální mikrofon M-50 se připojuje přímo k audio linkovému vstupu videokamery. Připojení mikrofonu ke kameře se provádí tímto způsobem. Žlutý vodič mikrofonu M-50 ke vstupnímu konektoru „Jack-3,5 mm“ kamery je připojen ke koncovému (centrálnímu) a prstencovému kontaktu konektoru (Podívejte se do manuálu fotoaparátu.). Pokud kamera nebo IP kamera používá pro audio vstup konektor RCA („tulipán“), přejděte na centrální kontakt konektoru RCA. Černý vodič digitálního mikrofonu M-50 je připojen ke společnému (tělovému) kontaktu konektoru 3,5 mm Jack (nebo k vnějšímu prstencovému kontaktu konektoru RCA) a ke společnému zápornému vodiči stabilizovaného zdroje. Červený vodič mikrofonu je připojen ke „kladnému“ vodiči stabilizovaného zdroje.

Směrový vzor digitálního mikrofonu s AGC a ovládáním zisku Stelberry M-50

Digitální řečový mikrofon Stelberry M-50 je všesměrový a má kruhový polární vzor s mírným útlumem citlivosti mikrofonu na straně ovládání citlivosti. Polární obrazec je založen na mikrofonní kapsli použité v mikrofonu, s ohledem na vliv těla mikrofonu.

Mikrofony Stelberry